电机拖动课程设计.docx

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电机拖动课程设计

机电工程系

电机及拖动基础

课程设计

第一章直流电动机的工作原理

电动机转速特性：

n=U/CeΦ-（R/CeCTΦ2）T

此公式也是直流电动机的调速公式，改变加在电动机电枢回路的电阻Ｒ，外加电压Ｕ或者磁通Φ都可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。

1.1改变电枢电路电阻调速：

当电枢电路串联附加电阻Ｒ时，即械特性方程变为

n=U/CeΦ-（R+Ro）T/CeCtΦ2

Ro：

电动机电枢电阻

Ｒ：

电枢电路外串附加电阻

即电动机电枢电路中串联电阻时特性的斜率增加，在一定负载转矩下，电动机的转速将会增加，因而实际转速降低了。

1.2改变磁通Φ调速：

在电动机励磁电路中，改变其串联电阻的大小或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压，都可以改变励磁电流和磁通。

此时电动机的电枢电压通常为恒定值，而且不串附加电阻，因为调速过程中为使电动机容量得到充分利用，应该使电枢电流　一直保持在额定电流Ｉn，因此改变磁通调速适合于恒功率负载，实现恒功率调速。

1.3改变电枢电压调速：

当改变电枢电压Ｕ时，理想空载转速No也将改变，而机械特性的斜率不变，此时方程为：

　n=U/CeΦ-RT/CeCtΦ=No-KmT

改变电枢电压调速方式属于恒转矩调速，并在空载或负载转矩变化时也能得到稳定的转速。

从以上三种调速方案中，确定调压调速。

第二章调速系统整体框图及PID算法的基本原理

调速系统的整体框图

当给定信号来时，经过PID对信号进行处理输出一个稳定的信号给触发电路，形成脉冲信号调节整流电路的输出电压，电压传给主电路，带动电动机转动。

测速发电机对电动机进行测速，将转速转为电压信号，传送给比较器，对信号进行时刻变化调速，使其达到一个衡均转速，电流截止负反馈，对主电路电流进行检测过电流时起作用，将信号传给比较器进行控制。

2.1系统中各环节输入输出关系：

电压比较环节：

ΔUn=Ugn-Ufn

转速检测环节：

ΔUfn=αn

式中：

Ufn负反馈电压Ugn转速给定电压

Δun偏差电压α为转速反馈系数单位为vmn/r

由以上两式可得：

Δun=Ugn-αn

其转速关系为：

N↑→Ufn↑→ΔUn↓→Uc↓→α↑→Ud↓→n↓

通过此调节过程，系统重新进入新的稳态运行。

2.2调速系统的主要性能指标：

①调速范围：

D=nmax/nmin

nmax最高转速nmin最低转速

②静差率：

S=Δned/no=（no-ned）/no

S=ned/no×100﹪

2.3电流截止负反馈环节：

为了实现限流保护，须在系统中引入电流截止负反馈环节，电流反馈信号取自串入电机电枢回路的小电阻Rs两端，IdRs正比于电枢电流。

为了实现电流截止负反馈，引入比较电压Ubj,并将其与IdRs反向串联。

忽略二极管正向压将，则当IdRs＞Ubj时，二极管导通，电流反馈信号Ufi=IdRs-Ubj,当IdRs≤Ubj时，二极管截止。

设Ilj为临界截止电流，将Ubj调整到Ubj=IljRs,当Id>Ilj时，电流截止负反馈投入；当Id≤Ilj时，电流截止负反馈被截止，从而实现了系统对电流负反馈的控制要求。

2.4测速发电机环节：

抑制扰动性能是反馈系统最突出的特征。

在调速中只考虑负载扰动，TL表示电动机负载转距，Te表示电动机的电磁转距负载突增时，系统调节过程如下：

TL↑→TL>Te→n↓→Ufn→△Un↑→Uc↑→Udo↑→Id↑→Ie↑→n↑

通过此调节过程，系统重新进入新的稳态运行。

2.5PID调节器算法的基本原理

2.5.1比例调节器

比例调节器是最简单的一种调节器，其控制规律为

u=Ke+U0式中，K为比例系数，U0为控制量的基准，也就是说e=0时的控制作用（阀门起始开度，基准电信号等）。

比例调节器的阶跃响应

2.5.2比例积分调节器

为了消除在比例积分调节中残存的静差，可在比例调节的基础上加上积分调节，形成比例积分调节器，其控制规律为积分时间。

2.5.3比例积分微分调节器

积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但花出的代价是降低了响应的速度。

为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差两作出即时反应（即比例调节作用），而且对偏差量的变化作出反应，或者说按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭于萌芽状态中。

为达到这一目的，可以在上述PI调节器的基础上再加入微分式中，Td为微分时间。

理想的PID调节器对偏差阶跃变化的响应，他正在偏差e阶跃变化的瞬间t=t0处有一冲击式瞬时响应，这里有附加的微分环节引起的。

理想PID调节器的阶跃响应有加入的微分环节，可见它对偏差的任何变化都产生控制作用Ud,以调整系统输出，阻止偏差的变化。

偏差变化越快，Ud越大，反馈校正量则越大。

故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。

它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能。

由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够快速性，但稳态精度可能受到影响；用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现要复杂。

第三章.依据条件计算相关环节参数

3.1电流环节的设计

3.1.1确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数T。

根据有关手册三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。

（2）电流滤波时间常数Tfi=0.001s

（3）电流环小时间常数取TΣi=Ts+Tfi=0.0027s

3.1.2选择电流调节器结构

因

，所以按典型Ⅰ型系统设计，电流调节器选用PI型，其传递函数为：

3.1.3选择电流调节器参数

ACR超前时间常数τi=Ta=0.03s

电流环开环增益：

时，应取

，因此

于是，ACR的比例系数为

3.1.4校验近似条件

电流环截止频率

（1）晶闸管装置传递函数近似条件:

而

满足近似条件。

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：

而

（3）小时间常数近似处理条件：

3.1.5计算调节器电阻和电容

取

各电容电阻值计算如下：

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：

满足设计要求

3.2转速环的设计

3.2.1确定时间常数

（1）电流环参数的时间常数为

（2）转速滤波时间常数Tfn=0.002s

（3）转速环小时间常数

3.2.2选择转速调节器结构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ系统设计转速环。

故ASR选用PI调节器，其传递函数为：

3.2.3选择转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都好的原则取h=5，则ASR的超前时间常数为

转速环开环增益

于是。

ASR的比例系数为

3.2.4计算调节器电阻和电容

取

，则

3.2.5校核转速超调量

当h=5时，

；而

，

因此

所以能满足要求。

第四章主电路的设计及电路原理图

4.1主电路的设计

主电路为三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴极接法和另一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成。

共阴极组VT1、VT3、VT5在正半周导点，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT4、VT6、VT2在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。

变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。

4.2原理图

第五章触发电路的设计及电路原理图

同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。

因此在本课题中选用锯齿波同步电压。

晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率就越大。

对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用晶体管组成的触发电路。

晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种触发电路如下图所示：

5.1该电路分为五个基本组环节：

5.1.1同步环节：

在锯齿波电路中，同步就是要求锯齿波的频率与主回路电源的频率相同。

锯齿波是由起开关作用的V2控制的，V2由导通变截止期间产生锯齿波，V2截止

持续时间就是锯齿波的宽度，V2开关作用的晶闸管的频率就是锯齿波的频率。

要使触发脉冲与主回路电源同步，必须使V2开关的频率与主回路电源频率达到同步。

同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器二次侧电压来控制V2的通断，这就保证了触发脉冲与主回路同步。

5.2.2锯齿波形成及脉冲移相环节：

电路中由晶闸管V1组成恒流源向电容C2充电，晶闸管V2作为同步开关控制恒流源对C2的充放电过程。

晶体管V3为射极跟随器，起阻抗变换和前后级隔离作用，以减小后级对锯齿波线性的影响当V2截止时，由V1管、V9稳压管、R3、R4组成的恒流源以恒流Iel对C2充电，u2随着时间t线性增长。

Iel/C2为充电斜率，调节R3可改变Iel,从而调节锯齿波的斜率。

当V2导通时，因R5阻值小，电容C2经R5、V2管迅速放电到零。

为了减小锯齿波电压与控制电压Uc、偏移电压Ub之间的影响，锯齿波电压u2经射极跟随器输出。

锯齿波电压ue3与Uc、Ub进行并联叠加，它们分别通过R7、R8、R9与V4的基极相接。

根据叠加原理，分析V4管基极电位时，可看成锯齿波电压ue3、控制电压Uc（正值）和偏移电压Ub（负值）三者单独作用的叠加。

当V4管基极b4断开时，只考虑锯齿波电压ue3作用。

可见，uˊe3仍为锯齿波，但斜率比ue3低。

可见，Uˊc仍为一与Ub平行的一直线，但数值比Uc小。

可见，Uˊb仍为一与Ub平行的一直线，但数值比Ub小。

所以V4管的基极电压可表示为：

ub4=uˊes+（Uˊc-Uˊb）

其中式中（Uˊc-Uˊb）为负值，uˊes是随时间变化的正向锯齿波电压。

当三者合成电压ub4为负时，V4管截止；合成电压ub4由负过零变正时，V4由截止转为饱和导通，ub4被钳位到0.7V。

5.2.3脉冲形成、放大和输出环节：

脉冲形成环节由晶体管V4、V5、V6组成；放大和输出环节由V7、V8组成；同步移相电压加在晶体管V4的基极，触发脉冲由脉冲变压器二次侧输出。

充电回路为：

由电源+15V端R11C3V5发射结V6VD4电源-15V端，C3充电电压为28.3V，极

性为左正右负。

5.2.4双脉冲形成环节：

三相全控桥式电路要求触发脉冲为双脉冲，相邻两个脉冲间隔为60o，该电路可以实现双脉冲输出。

对于三相全控桥电路，电源三相U、V、W为正相序时，6只晶闸管的触发顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6彼此间隔60o,为了得到双脉冲，6块触发板的X、Y可按下图方式连接，即后相的X端与前相的Y端相连。

5.2.5强触发及脉冲封锁环节：

在晶闸管串、并联使用或全控桥式电路中，为了保证被触发电路的晶闸管同时导通。

可采用输出幅值高、前沿陡的强脉冲触发电路。

同步电压为锯齿波的触发电路抗干扰能力强，不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，移相范围宽。

缺点是整流装置的输出电压与控制电压之间不成线性关系，且电路较复杂。

第六章个人总结与体会

通过这次课程设计，我学到了不少新知识、新方法、新观点。

这次设

计不但锻炼了我的学习能力、分析问题与解决问题的能力，同时也锻炼了

我克服困难的勇气和决心。

在这次课程设计中，通过我们几个同学的努力探讨。

我从一开始的迷茫而无从下手，到后来慢慢的思路清晰，整个过程中一步一脚印走过来，感觉电机拖动的知识的掌握得到了很大的提高。

本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目，课题结合开发，设计产品的能力。

既让我们懂得怎样把理论运用于实际，又让我们懂得了在理论中遇到了问题怎样用理论去解决。

涉及到实际动手的东西，显然是有困难的。

首先把设计任务搞清，接下来就是找相关资料，通过去图书馆和上网，然后对资料进行整理。

找资料说起来好像很简单，但真正做起来是要耐心的，要进行筛选甄别，所以这个过程是要花费一些时间的，但这其中也拓展了你的知识。

书上原理性的东西与真正的动手操作还是有很大区别的，要考虑很多因素。

通过这次课程设计，使我明白了自身的不足，还有就是学习上存在的以应试为目的陋习，自己真正学到的知识还是相当有限的，而且都是很死板知识，并没有做到活学活用。

参考文献

1.《电机控制》许大中主编

2.《电力电子技术》王兆安主编

3.《电力拖动自动控制系统》陈伯时主编

4.《DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置实验指导书》